熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計及應用

王亞軍，習新魁，楊立波，姚力強，李 哲

(1.河北省電力公司，石家莊 050021；2.河北省電力研究院，石家莊 050021；3.河南電力試驗研究院，鄭州 450052)

1 概述

為促進電力行業(yè)節(jié)能減排工作的開展，減少能源消耗和污染物排放，國務院辦公廳2007年以來相繼出臺了多項文件，為節(jié)能發(fā)電調(diào)度工作提供了政策支持。河北省南部電網(wǎng)(簡稱“河北南網(wǎng)”)熱電聯(lián)產(chǎn)機組在燃煤發(fā)電機組中所占比例較大，亟需研制相應的系統(tǒng)，實現(xiàn)對熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱狀況集中監(jiān)控以及調(diào)度區(qū)間的實時計算。為落實國家節(jié)能減排的要求，提高電力行業(yè)能源利用率，加強對河北南網(wǎng)燃煤發(fā)電機組實時運行熱負荷的實時監(jiān)測，按照“以熱定電”的原則安排發(fā)電負荷，河北省電力公司調(diào)度通信中心與河北省電力研究院于2009年開始建設熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)，目前已接入統(tǒng)調(diào)電廠8個，機組21臺；非統(tǒng)調(diào)電廠10個，機組22臺。

2 熱電負荷關(guān)系模型

供熱汽輪機可分為背壓式和抽凝式2種類型。背壓式供熱機組在一定的供熱條件下，其電負荷是確定的，完全是“以熱定電”，因此不需要確定其電負荷調(diào)度區(qū)間；抽凝式供熱機組所承擔的電負荷與熱負荷并沒有確定一一對應關(guān)系，在一定供熱流量及供熱壓力下，電負荷可以在一定的范圍內(nèi)(熱電聯(lián)產(chǎn)機組的電負荷調(diào)度區(qū)間)進行調(diào)整。

抽凝式熱電聯(lián)產(chǎn)機組在滿足一定的對外供熱負荷條件下，能夠保證熱電聯(lián)產(chǎn)機組安全穩(wěn)定運行的電負荷區(qū)間是由供熱工況圖所決定的。供熱工況圖是由一系列的各級供熱抽汽流量(Fn1，F(xiàn)n2)曲線、各級供熱抽汽壓力(Pn1，Pn2)曲線、最大主蒸汽流量(Fms_max)曲線、最小主蒸汽流量(Fms_min)曲線、最小排汽流量(Fk_min)曲線共同組成的網(wǎng)絡圖，這些曲線共同確定了安全電負荷區(qū)間。電負荷函數(shù)關(guān)系可表示為：

(1)

由式(1)可以看出，抽凝供熱機組的類型很多，正是由于熱電聯(lián)產(chǎn)機組在結(jié)構(gòu)、供熱方式、調(diào)節(jié)方式等方面的多樣性，造成不同型號熱電聯(lián)產(chǎn)機組的供熱工況圖均不相同，并且供熱抽汽級數(shù)越多其復雜程度越高。供熱工況圖的高度復雜性給實時確定電負荷調(diào)度區(qū)間帶來較大困難，因此必須對供熱工況圖使用方法進行合理的簡化。

由于電負荷調(diào)度區(qū)間是指在保證一定的供熱負荷下安全穩(wěn)定運行的電負荷范圍，因此只需要確定最小電負荷和最大電負荷，也就是如何確定一定的供熱負荷下供熱工況圖的邊界。

確定供熱工況圖邊界的約束條件包括最大電負荷限制、起始供熱負荷限制、各段供熱抽汽流量限制、汽輪機最大連續(xù)出力流量限制、自然升壓區(qū)限制、中壓缸排汽限制、低壓缸排汽限制等。通過引入這些約束條件，電負荷函數(shù)關(guān)系可簡化為：

(2)

通過式(2)可將供熱工況圖中包含的豐富信息規(guī)整為機組最低電負荷、最高電負荷、主汽流量、各段供熱抽汽壓力、各段供熱抽汽壓力等因子間離散的關(guān)系數(shù)據(jù)。這些關(guān)系數(shù)據(jù)就形成了熱電關(guān)系信息庫，便于數(shù)字化，以供計算模型使用。

3 系統(tǒng)設計

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

河北南網(wǎng)熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，依據(jù)物理網(wǎng)絡環(huán)境和數(shù)據(jù)流向可以劃分為4個組成區(qū)域。

圖1 河北南網(wǎng)熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

第1區(qū)域，電廠數(shù)據(jù)采集區(qū)域。從電廠DCS中采集數(shù)據(jù)，然后由前置數(shù)據(jù)采集模塊進行存儲管理。

第2區(qū)域，調(diào)度通信中心區(qū)域。通過省調(diào)調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)路由器將從電廠采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)秸{(diào)度通信中心網(wǎng)絡，對Socket數(shù)據(jù)包進行解析和預處理，然后進行供熱指標計算和日月數(shù)據(jù)統(tǒng)計。將生成的數(shù)據(jù)保存到調(diào)度通信中心數(shù)據(jù)庫的同時，將數(shù)據(jù)文件副本利用橫向隔離裝置服務軟件擺渡到第3區(qū)域。

第3區(qū)域，信息存儲區(qū)域。基于目前的網(wǎng)絡部署狀況，第3區(qū)域和4區(qū)域為統(tǒng)一網(wǎng)絡區(qū)域，從功能上可以劃分為2個組成部分，之間部署防火墻，第3區(qū)域主要作用是對傳遞過來的數(shù)據(jù)文件副本進行解析并轉(zhuǎn)儲到信息中心數(shù)據(jù)庫中。

第4區(qū)域，信息發(fā)布區(qū)域。目前的信息發(fā)布僅局限于河北省電力公司信息內(nèi)網(wǎng)，部署河北南網(wǎng)熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)，面向河北省電力公司信息中心、相關(guān)辦公區(qū)域以及河北省電力研究院用戶等。

3.2 子系統(tǒng)設計

河北南網(wǎng)熱負荷監(jiān)測系統(tǒng)所涉及到的網(wǎng)絡環(huán)境和數(shù)據(jù)流向比較復雜，電廠數(shù)據(jù)從采集到展示，需要經(jīng)過數(shù)據(jù)包傳輸、數(shù)據(jù)包解析、預處理、供熱指標計算、供熱指標統(tǒng)計、數(shù)據(jù)副本打包、跨越橫向隔離裝置、數(shù)據(jù)副本再解析、存儲以至展示等階段，在這期間，任何一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都會導致數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖　Ｓ捎诰W(wǎng)絡環(huán)境的復雜性，因此整個系統(tǒng)采用多個子系統(tǒng)協(xié)同工作的設計模式，將多個子系統(tǒng)分別部署在不同的網(wǎng)絡區(qū)域，設計通信接口，進行協(xié)同工作，子系統(tǒng)部署見圖2。

圖2 子系統(tǒng)部署示意

多個子系統(tǒng)協(xié)同工作的模式，從功能上簡化了整個系統(tǒng)的設計規(guī)模，但是也在一定程度增加了維護工作量和各個子系統(tǒng)之間的不穩(wěn)定因素。為了降低各個子系統(tǒng)之間的不穩(wěn)定因素，在設計子系統(tǒng)時，盡量使主系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測各個子系統(tǒng)的運行狀況和運行日志，保證當某個子系統(tǒng)出現(xiàn)問題時，其他子系統(tǒng)不會受到致命性破壞，能夠繼續(xù)運行,并且能夠以最快和最敏捷的方法通知系統(tǒng)管理員，盡快排除子系統(tǒng)故障。

4 系統(tǒng)功能

河北南網(wǎng)熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)研究了河北南網(wǎng)統(tǒng)調(diào)及非統(tǒng)調(diào)熱電聯(lián)產(chǎn)機組的熱電對應關(guān)系，建立了熱電關(guān)系信息庫，實現(xiàn)了熱電聯(lián)產(chǎn)機組供熱實況監(jiān)測，實時得到各機組電負荷實時調(diào)度區(qū)間及供熱經(jīng)濟性指標。依據(jù)各類型機組熱電關(guān)系信息及機組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息的特征因素，構(gòu)建規(guī)范化建模體系，通過規(guī)范化建模體系與熱電關(guān)系信息及機組熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)信息的結(jié)合，控制整個計算流程，實現(xiàn)特定熱電聯(lián)產(chǎn)機組的電負荷調(diào)度區(qū)間及供熱相關(guān)經(jīng)濟指標的實時計算。河北南網(wǎng)熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)具有如下功能。

a． 采用基于熱電關(guān)系特性的規(guī)范化建模體系，實現(xiàn)了統(tǒng)調(diào)、非統(tǒng)調(diào)大規(guī)模熱電聯(lián)產(chǎn)機組的快速熱電信息配置。由于河北南網(wǎng)統(tǒng)調(diào)、非統(tǒng)調(diào)熱電聯(lián)產(chǎn)機組數(shù)量眾多、類型繁雜、熱力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式千差萬別，給系統(tǒng)快速建模，以及該項技術(shù)的全面實施與推廣帶來挑戰(zhàn)。因此系統(tǒng)采用了“基于熱電關(guān)系特性的規(guī)范化建模體系”，后臺程序進行模塊化處理，多個模塊各司其職，完成整個數(shù)據(jù)計算、分析流程。計算服務主模塊中包含7個子計算過程，內(nèi)容全面，結(jié)構(gòu)清晰，囊括了河北南網(wǎng)所有類型機組。

b. 系統(tǒng)能夠依據(jù)機組供熱歷史數(shù)據(jù)，預測任意時段的電負荷調(diào)度區(qū)間，為合理安排機組參與電網(wǎng)調(diào)峰及制定熱電聯(lián)產(chǎn)機組出力計劃提供科學依據(jù)。首次在河北南網(wǎng)實現(xiàn)了供熱經(jīng)濟指標集中實時監(jiān)測，為供熱機組節(jié)能調(diào)度提供技術(shù)支撐。

c. 建立完善的供熱數(shù)據(jù)智能識別及重構(gòu)機制，保障了數(shù)據(jù)的可靠性。采用跨平臺及跨電力安全區(qū)域的數(shù)據(jù)傳輸方式，保障了機組熱力數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性。

5 應用效果

熱電聯(lián)產(chǎn)機組在河北省火電機組中所占比重較大，隨著河北省電力工業(yè)的飛速發(fā)展，大型熱電聯(lián)產(chǎn)機組不斷建成、投產(chǎn)，系統(tǒng)監(jiān)測的機組逐漸增多。熱電聯(lián)產(chǎn)機組在線監(jiān)測與調(diào)度支持系統(tǒng)的應用，實現(xiàn)了各機組的供熱實況集中監(jiān)測，依據(jù)實時調(diào)度區(qū)間對各機組進行調(diào)度，改變以往熱電聯(lián)產(chǎn)機組調(diào)度的被動局面，即提高了電網(wǎng)穩(wěn)定性，又能真正實現(xiàn)“全社會能耗最低”的目標，具有很高的社會效益。利用該系統(tǒng)，可按照“以熱定電”的原則安排發(fā)電負荷，完成調(diào)度數(shù)據(jù)網(wǎng)與河北省電力公司調(diào)度通信中心互聯(lián)的熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱負荷的處理。熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)的成功上線，有效落實了國家節(jié)能發(fā)電調(diào)度政策，為河北南網(wǎng)實現(xiàn)熱電聯(lián)產(chǎn)機組節(jié)能發(fā)電調(diào)度提供了技術(shù)支撐和保障。

6 結(jié)束語

河北南網(wǎng)熱負荷在線監(jiān)測系統(tǒng)的實施和應用，實現(xiàn)了對熱電聯(lián)產(chǎn)機組熱負荷的實時監(jiān)測，為熱電聯(lián)產(chǎn)機組發(fā)電負荷分配工作的科學化、規(guī)范化、信息化搭建了一個現(xiàn)代化的實時監(jiān)測工作平臺，從根本上提高了針對熱電機組的發(fā)電負荷分配基礎(chǔ)管理水平，規(guī)范了發(fā)電負荷分配工作的管理流程，提高了工作效率，改變了以往不科學的發(fā)電負荷分配方式，達到了“以熱定電”的目的。系統(tǒng)作為節(jié)能發(fā)電調(diào)度工作的重要組成部分，其成功建設和應用，大大提高了熱電機組發(fā)電負荷分配的科學性，對繼續(xù)落實節(jié)能發(fā)電調(diào)度工作和建設環(huán)境友好型社會均具有巨大的意義。隨著該系統(tǒng)的不斷完善、優(yōu)化和深入應用，其巨大的經(jīng)濟效益和社會效益將逐步顯現(xiàn)出來。